双螺旋盘管相变蓄热器的实验与数值模拟研究

发布时间：2020-09-03 09:31

　　太阳能是可再生能源中可利用储量最丰富的能源之一,但是太阳能自身的分散性和间歇性是制约其广泛应用的主要因素;利用蓄热技术以改善可再生能源的不稳定性和波动性,是实现太阳能可靠高效利用的关键技术之一。同时,蓄热不仅可以将太阳能、工业余热、移动式热源废热等中低品位能量可控地存储与释放,还可以通过主动调控实现热功转换系统稳定地输出。因此,高效稳定的蓄热技术研究是当前可再生能源利用研究的重点。而其中相变材料改性和蓄热器结构优化又是蓄热技术需要综合考虑的技术难点。本文主要工作是针对太阳能能流变化特点和蓄热温区范围,选取了蓄热密度较大、稳定性较好的赤藻糖醇作为储热介质,并设计了该介质的双螺旋盘管相变蓄热器。首先通过计算和数值模拟的方法对比分析了螺旋盘管的管径、弯曲半径和流体流速对流动压降及对流换热特性的影响,模拟发现:螺旋盘管的管径增加,换热系数会增加,压降减小;螺旋盘管的弯曲半径减小,压降会增加;流体流速对换热系数和压降影响更大。然后建立了带可视化视窗的太阳能中低温相变蓄热实验台,研究了赤藻糖醇双螺旋盘管蓄热器的蓄热特性,获得了相变蓄热材料在双螺旋盘管相变蓄热器内的温度变化和熔化规律,并分析了进口流量对蓄热性能的影响,实验结果表明:蓄热材料熔化过程用时450 min,相变材料熔化过程均匀,熔化率为95%;布置在相变蓄热器上端靠近管壁的温度测点温度上升最快;靠近箱体底部的蓄热材料温度升高比较慢;改变进口流量对于蓄热器的进、出口温度影响不大,对于蓄热速率基本上没有影响;提高导热油的入口温度,会明显的加快蓄热材料的熔化速度。并用数值分析方法模拟了双螺旋盘管蓄热器蓄热过程的温度变化和熔化特性,及进口温度的影响,并进行了对比分析。最后以一个太阳能蓄热热水系统为案例,对比分析了有、无蓄热的太阳能热水系统的热经济性。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TK513.5
【部分图文】：

示意图,放热过程,示意图

以太阳能是干净清洁的能源。在我国年日照小时数大于 2000 小时的区域占土面积 2/3 以上，我国所拥有的太阳能总量非常丰富，具有很好的开发、应值。但是太阳能有着自身的缺点，太阳能的分散性和间歇性是影响使用的主素，阴天下雨等气候因素对太阳辐射的影响也是无法预料的；不同地域的太照强度会有很大的差别，并且随着昼夜的交替和季节的变化而变化。因此要阳能利用高效可靠，就需要把晴天收集到的太阳辐射能转化成热能储存起来保证使用。其中，蓄热技术是用来储存热量和能量的很好的方式，尤其是对较分散、集中度不高的余热能和太阳能，因此蓄热技术在太阳能利用系统中非常重要的作用。太阳能蓄热的原理是：太阳能集热器把辐射到集热器上的太阳能，搜集转热能用来加热导热介质，然后经过换热器把热量传递给相变蓄热器里边的储质，储热介质在高标准的保温条件下将热量蓄存起来，在需要用能或者的时候热介质再经过换热器把储存的热量释放出来给热用户端。储热介质与导热介以是同一种物质，也可以是不同种物质，图 1-1 为蓄热和放热过程的示意图

分布图,潜热值,相变材料,相变温度

第一章绪论图 1-3 是相变材料的相变温度和潜热值分布图[4]，从图上可以看出从-00 ℃都有可选择的蓄热材料，而且蓄热材料的潜热值随着相变温度加，在相同热源温度的情况下，我们应该尽可能的选择相变温度高的列出的相变材料主要包括低温相变材料：共晶混合物、盐水合物、脂水合物、盐水溶液；中温相变材料：糖类、部分石蜡、氢氧化物、硝相变材料：氟化物、碳酸盐、氯化物、氰化物等。

示意图,螺旋盘管,物理模型,示意图

图 2-1 螺旋盘管的物理模型示意图Figure 2-1 Illustration of physical model of spiral coil旋盘管长度计算公式：(2-5旋盘管表面积计算公式：(2-6旋盘管体积计算公式：(2-7式中：为螺旋盘管长度，S 为螺旋盘管表面积，V 为螺旋盘管体积，为盘管节间距，R 为螺旋盘管弯曲半径，k 为螺旋盘管圈数，r 螺旋管半径。阻力系数计算公式：= 16/ <2500 (2-8≥2500 && <20000 (2-9

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